La transformación de la estación se lleva a cabo a través de distintas actuaciones programadas para que la estación se mantenga en servicio en todo momento. Entre las más destacada está la construcción de una estación pasante subterránea bajo la actual estación de alta velocidad y la calle Méndez Álvaro.

Esta nueva infraestructura, con una inversión de más de 505 millones de euros, contará con cuatro nuevas vías y dos andenes para trenes de alta velocidad. Su principal función será conectar el túnel de alta velocidad entre Puerta de Atocha-Almudena Grandes y Chamartín-Clara Campoamor con el acceso sur de alta velocidad a Madrid, permitiendo que los trenes efectúen parada en ambas estaciones y completando así la conexión total de la red ferroviaria de alta velocidad en España.